探究结构-结构的稳定性.doc

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结构的稳定性
——通过技术试验分析影响结构稳定性的主要因素
一、教学对象分析：
1、基础水平分析：本课的教学对象为高二级学生。学生知道了什么是结构及结构的基本受力形式，能理解“平衡”（“结构的稳定性”中的关键一词）的涵义。同时，学生了解什么是技术试验，并能进行简单的技术试验。 不足的是，学生以前并未写过正式的技术试验报告，此方面缺乏锻炼。
2、学习能力分析： 思维活跃，面对问题时能想出各种解决办法；具备一定的逻辑思维能力，能通过对比、归纳等方法整理试验数据，获取知识；懂得一定的合作技能，能在小组合作中完成学习任务，获得进步。
二、教学目标分析：
《普通高中技术课程标准》对本节教学的要求是：“能通过技术试验分析影响结构稳 定性的因素，并写出试验报告。”亦即：①通过技术试验定性分析哪些因素会影响到结构 的稳定性。仅要求学生能了解这些因素，并不要求学生理解这些因素为什么会影响结构的 稳定性。②要求学生掌握通过技术试验这一重要手段解决技术问题的方法。③要求学生学 会写技术试验报告，将技术活动中获取的数据记录、处理，以获得结论。结合学生的实际 情况，现将本节课的教学目标阐述如下：
知识与技能：知道影响结构稳定性的主要因素（重心位置、支撑面积大小、结构的形 状等）。
过程与方法：经历技术试验分析影响结构稳定性因素的过程，学会通过技术试验这一 重要手段解决技术问题的方法； 经历对试验数据的记录、整理、分析、 归纳，学习数据处理的方法。
情感态度与价值观：通过试验分析数据形成结论，感受实践与理论的相辅相成。
通过写技术试验报告养成科学严谨负责的学习态度。
三、教学内容分析：
本节内容是在“认识结构”学习的基础上，为使学生进一步深入认识结构而设计的。稳定性作为结构的两大重要性质之一，在结构设计中至关重要。而分析哪些因素影响结构的稳定，是进行结构稳定性设计的前提条件。因此，学习本节内容将为后续的结构设计奠定基础。
结构的稳定性在教材中的定义是：指结构在荷载的作用下维持其原有的平衡状态的能力。“荷载”是一个技术领域的专有名词，因此需向学生解释清楚。而定义中的“维持”，是指在外力撤消之后结构会恢复到原来的平衡状态。
本节内容主要是让学生在了解了什么是结构稳定性的基础上，根据生活经验进行猜想，然后利用“控制变量试验法”进行技术试验，并分析有哪些因素会影响结构的稳定性。
教学重点：通过技术试验分析影响结构稳定性的主要因素。
教学难点：对“结构的稳定性”内涵的理解； 结构稳定性发生变化的判断。
四、教学资源：
教师：
不稳定结构U（1个）、钢条（0.3米）、笔记本电脑（1台）、50g钩码（10个）、弹簧测力计（1个）、木筷子（8根）、钉子（16个）、装有半瓶水的矿泉水瓶（2个）、技术试验报告单（1份）、交流表（1份）、教材《技术与设计2》（粤科版）、多媒体课件。
学生：（每小组）
不稳定结构U（1个）、50g钩码（10个）、弹簧测力计（1个）、木筷子（8根）、 钉子（16个）、技术试验报告单（1份）、交流表（1份）、教材《技术与设计2》（粤科版）。
五、教学策略设计：
本课采用“概念学习——探究试验——交流结果”的教学流程，让学生先理解“结构的稳定性”这个前提概念，然后通过试验分析影响结构稳定性的因素，最后小组间交流试验结果。
应用建构主义学习理论，创设学习情境，让学生在体验与探究的过程中建构知识的意义。
本课采用小组合作学习形式，每个小组4-5人。
教学时间：2课时。
第1课时主要进行概念学习和试验方案的制定；第2课时主要进行技术试验和结果交流。
六、教学过程设计：
教学环节
教学过程
设计思路
课程导入
1. 展示：地震图片，对比海地与智利的建筑物在地震中的表现。
海地地震已造成20多万人死亡，智利地震共造成800多人丧生（其中大部分是由于海啸引起）。
地震中，人员的伤亡往往是由于建筑物的倒塌引起的。所以，如何提高建筑物的抗震性能就是一个非常重要且重大的问题。
建筑物是一个结构，而结构的本质是抵抗外力对结构形状和大小的改变。那么，建筑物得抗震能力是否跟结构本身有关呢？
我们对结构还要做进一步的研究——结构的稳定性。
2．展示：结构的稳定性。
开门见山，引入正题。
概念学习
3．那么，结构的稳定性指的是什么呢？
（让学生找到书上的概念解释，并试着去理解）
（学生或教师）先分析定义中的关键词：荷载、平衡形式；再分别用钢丝和“不稳定结构U”演示讲解“结构的稳定性”概念。
4．比较不同结构的稳定性：两个矿泉水瓶，一个正立，一个倒立。（先学生判断哪一个稳定，后用测力计进行外力测量。）另有“不稳定结构U”演示。（学生观看）
我们看到：不同的结构，它们的稳定性是不一样的。
1.本节课中，“结构的稳定性”概念的准确理解是关键。
2.将生活中对结构稳定性的感性认识与技术课中的理性认识联系起来。
试验探究
5．那么，在这些结构中，究竟是什么因素导致了它们的稳定性不一样呢？
6．展示：哪些因素会影响结构的稳定性？
猜想：重心位置、支撑面积大小、结构的形状等
（结合实物，引导学生说出自己的想法）
试验：
利用“控制变量试验法”进行技术试验，分析有哪些因素会影响结构的稳定性，并做好试验记录。
整理并分析试验数据，获取结论。
先引导所有学生思考，降低后面试验的难度，也给学生试验一个方向指引。
经历、体验、思考，学生通过实践学会为解决问题而设计技术试验。
交流结果
7. 两个小组间进行试验结果交流，并填好交流表。
8. 试验结果全班交流：
随机请1~2个小组进行展示，同学可以对其试验过程和结果进行质疑和讨论，教师亦对其进行评价。
（对学生技术试验的结果在黑板上板书出来）
9. 总结：影响结构稳定性的因素。
10. 回到地震图片，从中寻找建筑结构的稳定性，同时关注建筑物的材料，引向结构的强度。
先进行同学间的交流，解决部分疑问，亦使学生对试验的过程和结果理解得更深入，再进行评价和总结就水到渠成了。
结构的强度为下节课内容。

七、教学评价：

八、教学反思：
从前面几个班的教学效果来看，效果一般。本节课的主要优势在于将理论与实践结合，使得知识内容不再枯燥；另外，教学策略符合学生的认知规律也使得学生的学习容易了很多。在教学中，抓住“结构的稳定性”这一概念进行了理论解释与实物演示，深入浅出地突破了教学的难点。而利用“控制变量试验法”进行技术试验的关键点在于如何判断结构的稳定性是否发生了改变。利用师生的智慧共同解决该问题扫除了学生试验的最后一个障碍。教学中，学生能够积极思考，动手试验并交流结果，发挥了主观能动性。不过，影响教学效果的因素也较多，如以下几点：
1. 学生不清楚教学目标（或学习任务），试验有些盲目；
2．教学时间设计的不够合理，学生在一节课的时间内很难完成学习任务；
3. 教师的教学引入不够简洁明了；
4. 学生对“控制变量试验法”并不熟悉，难以进行试验操作；
5.试验的好坏没有一个评价标准。
经过认真思考，得出问题解决办法：
1. 在做试验之前将学习目标和试验目的用PPT展示给学生，并进行解说，直到学生明白无误为止。
2. 为了给学生足够的时间进行技术试验，故将最初的不稳定结构在课前制作好，学生一上课就直接进入技术试验来分析影响结构稳定性的因素；另外，将试验目的和试验要达到的要求明确传递给学生也能够节省本课程所需时间。
3. 通过多次的课外演练，字斟句琢，直达熟练能诵为止。
4. 课前向学生介绍“控制变量试验法”，讲授它的特点，并用一个事例来说明如何进行该方法的试验。
5. 在试验报告单的后面附上试验的评价标准。
本节课的教学思路正确，某些细节还需斟酌改进。

附录：
1. 结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡形式的能力。结构的稳定性与它的几何形状、支撑面积的大小和重心位置密切相关。
2．荷载：①指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。
　 ②习惯上指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用，常见的有：结构自重、楼面活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、车辆荷载、吊车荷载、设备动力荷载以及风、雪、裹冰、波浪等自然荷载。
3．在平衡状态的力学系统受到微扰后由于其平衡位置的特殊性而引起的稳定性问题。若 不论时间多长，受微扰后的系统对原位置的偏差能随初始扰动的减小而受到任意指定的限制，则此位置是稳定的；反之，该位置是不稳的。例如小球在竖立的圆形轮圈上有两个平衡位置，最高点Ａ是不稳定位置，最低点Ｂ是稳定位置。
11. H.T.切塔耶夫："若保守完整系统的势能在某平衡位置无极小值，则此平衡不稳定"。
5．弹性稳定问题指具有特殊结构和尺寸的弹性构件受到超临界力的载荷时所引起的稳定性问题；例如：两端受压力作用的细长杆的稳定性问题，外压大于内压的容器稳定性问题等。下面简要讨论压杆稳定性问题，压杆稳定性问题不在于一般压杆临界荷载值的数学推导以及对一些稳定问题的具体计算，而在于对稳定性本身的理解，不能将稳定性问题与强度、刚度问题相混淆。压杆在直轴线形状下的平衡是稳定的，若给予某种扰动（例如受到微小水平力的作用），杆件发生了弯曲，但在取消了这种扰动后，压杆将迅速恢复到原来的平衡状态，这就是稳定平衡的特征。若再给予某种扰动。杆件仍将发生弯曲变形，但在扰动取消后，杆件不能回到原来的直线平衡形成，于是，原失稳的直线平衡状态成为不稳定的。而可能出现新的与原来平衡形式有质的区别的平衡形式。同时，这种现象带有突然性；上述分析过程可用小球在图中的3种平衡状态来予以比拟，并可引伸到压杆稳定性的实质是总势能在临界状态下由极小值到极大值的过渡性质。
6．1.什么是结构的稳定性？
　　所谓结构的稳定性，是指结构在外载荷的作用下，能够保持原有平衡状态的能力。如果结构在外载荷作用下不能保持原有平衡状态，就叫做“失稳”。因而，结构的稳定性也叫做结构抗失稳的能力。
结构的稳定性是非常复杂的，我们的教材只涉及一点皮毛，有很多人将稳定性的概念 看作是结构整体翻倒问题，所以常常无法与结构内部变形联系起来。 强度问题是指结构 或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的 极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材 料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。 稳定问题则与强度问题不同，它主 要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从 而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱 中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强 度不是柱子破坏的主要原因。
　　在工程上，结构的稳定性问题有如下几种：
　　（1）细长杆受压时的“压杆稳定性问题”。
　　如下图所示，设细长杆在轴向压力P的作用下，处于平衡状态，且在杆的受压强度允许范围之内，如果对杆施加一微小的横向力作用，这时一有两种情况发生。一是当P小于某一个值时，在横向力撤去后，已弯曲的杆会恢复原有平衡状态。另一种情况是，当P大于某一值时，在横向力撤去后，杆不能恢复的原有平衡状态。前一种情况，压杆是稳定的，后一种情况，压杆就不稳定。使压杆由稳定变为不稳定的转换压力称为临界压力。
　　（2）薄壁圆筒受压的失稳问题。
　　薄壁圆筒受压，在轴向压力过大时，会在筒壁上出现“鼓包”。这就是薄壁圆筒的失稳现象。
　　（3）薄矩形梁扭曲失稳问题。
　　薄矩形悬臂梁，在承受弯曲载荷时，会发生扭曲，这种现象同样是失去平衡的失稳问题。　
　　（4）结构翻倒问题。
　　在我们的教材中主要讨论的就是这种稳定问题。现在我们就按照教材的要求，对结构翻倒的稳定性问题进行一些讨论。
　　2．结构为什么会翻倒？（请同学们根据物理中的知识回答这个问题）
　　对，物体翻倒的根本原因是：物体的重力作用线超出了物体基底的边界线。为什么呢？我们来考查下示图形。左边的图形，是重力作用线没有超出物体基底边界线的情况，这时重力对支点产生的力矩是使物体恢复到原来的状态。中间的图形是重力作用线刚好通过基底的边界，物体仍然可以处于平衡，但如果物体受向右的扰动，物体就会进入右边图形所显示的状态，重力线超出了物体基底边界线，这时重力对支点产生的力矩是使物体离开原来的平衡状态，也就是使物体翻倒。
　　左图所示状态，物体处于“稳定平衡”，中间图形所示状态，物体处于“不稳定平衡”。
　　要想判断物体处于什么平衡状态，可以从物体偏离平衡时，重心的变化来判断，重心上升，是稳定平衡，重心下降，是不稳定平衡。　
　　3．提高物体（结构）抗翻倒能力的措施
　　要想提高物体抗翻倒的能力，就必须使物体的重力作用线不容易超出基底的边界。
　　可以有两种方法。一是降低物体的重心；二是加大物体的基底面积。它们都可以增大物体翻倒时的倾斜角。如下图所示。

7. 刚性结构简介
　　在框架结构的设计中，必须要考虑的一个问题的就是结构在外力作用下是否会被迫改变形状。如果在外力作用下，框架结构很容易改变形状，结构是非刚性的。而如果在外力作用下，框架结构不会改变形状，则认为结构是刚性的。但必须指出，这里讲的结构的刚性，不是结构的刚度的概念。
　　下面左图所示的四杆框架，在如图所示的外力作用下，是很容易改变原来形状的，因而，它是非刚性的。但是，我们在其对角线上加上一根杆，或者在对角上加上“角板”，那它就变成刚性结构了。

　　根据这个原理，我想同学们能够解释教材上关于“人字形梯”和“A字形梯”的问题了吧，这也是结构的刚性问题。
　　顺便解释一下，“三角架”的“稳定”，它不属于结构稳定性讨论的问题，它是指放置物体时如何使物体不“摇晃”的问题，摇晃并不是“失稳”的概念。物体要放置稳当，其基本条件是所有的支撑点应该在一个平面内，而三点具有确定唯一平面的特性，这就是三角架为什么可以在任何地方放置稳当的根本原因。因为它不会像四个点那样，有分属两个平面的可能。

技术试验报告
报告名称：
探究影响结构稳定性的主要因素
试验目的和要求：
能通过技术试验（试验设计、操作及数据处理）分析影响结构稳定性的主要因素有哪些。
仪器设备及所需材料：
50g钩码（10个）、5N弹簧测力计（1个）、木筷子（14根）、钉子（28个）、木板（2块）。
试验方案(加载的方法和程序)
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试验记录
观察与记录
该项
试验目的
试验操作
试验操作之前的现象（或数据）
试验操作之后的现象（或数据）
探究结构形状对结构稳定性的影响。
在结构负载和其他条件不变时，沿结构中四边形状的对角线增钉一根木筷子。
结构在自身的重力作用下引起原四边形结构改变并坍塌。
结构能够承受自身的重力而不变形。

数据整理及得出结论： __________________________________________________________________
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试验评定（依据一定的标准对试验方案、数据和结论进行评价）
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试验人： _________________________________________
试验日期：__________年______月______日 ：

试验的评价标准：
① 试验方法科学合理；
② 试验过程操作准确无误，试验记录详尽如实；
③ 试验数据分析整理科学准确；
④ 试验得出的结论表述准确；
⑤ 试验报告书写整洁，语句通顺。

探究结构稳定性交流表
注：本表由进行试验交流的其中一个小组填写即可。
本小组的试验结论是：
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对方小组的试验结论是：
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经过交流，双方的共同观点是：
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交流过后，双方是否还存在分歧？若有，则分歧在什么地方？
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双方若有分歧，请简单阐述产生分歧的原因。
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本小组组长签名：______________________
对方小组组长签名：____________________

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